JP2016053445A - 熱機器 - Google Patents

Abstract

【課題】広い温度範囲から起動可能な熱磁気サイクル装置を備える熱機器を提供する。【解決手段】熱機器としての空調装置１は、熱磁気サイクル装置としての磁気熱量ヒートポンプ装置（ＭＨＰ装置）１１を備える。ＭＨＰ装置１１は、低温端１２ａと高温端１２ｂとの間に配置された磁気熱量素子１２の磁気熱量効果を利用する。ＭＨＰ装置１１は、低温端１２ａと熱交換する低温系統２を備える。ＭＨＰ装置１１は、高温端１２ｂと熱交換する高温系統３を備える。空調装置１の制御装置４１は、ＭＨＰ装置１１を起動する前に、低温系統２または高温系統３を作動させる。ＭＨＰ装置１１の温度が過剰に高い場合であっても、ＭＨＰ装置１１は低温系統２または高温系統３によって冷却される。この結果、ＭＨＰ装置１１の起動が可能となる。【選択図】図１

Description

ここに開示される発明は、磁性体の温度特性を利用する熱磁気サイクル装置を備える熱機器に関する。

特許文献１−特許文献５には、磁性体の温度特性を利用する熱磁気サイクル装置が記載されている。熱磁気サイクル装置は、ヒートポンプまたはエンジンとして利用することができる。ヒートポンプにおいては、動力によって生じる磁気的な変動によって低温または高温が取り出される。エンジンにおいては、温度差に起因して生じる磁気的な変動によって動力が取り出される。これらの装置は、磁性体として、磁気熱量素子を利用する。

特開２０１２−２２９８３１号公報 特開２０１２−２５５６４２号公報 特開２０１２−２２９６３４号公報 特表２０１２−５０３７５４号公報 米国特許第８４４８４５３号明細書

多くの磁気熱量素子は、比較的狭い高効率温度帯において高い磁気熱量効果を発揮する。このため、熱磁気サイクル装置は、上記高効率温度帯を含む起動可能温度帯から起動されることによって所定の機能を発揮することができる。

ところが、熱磁気サイクル装置が置かれる環境に起因して、熱磁気サイクル装置の温度が起動可能温度帯の外に到達することがある。熱磁気サイクル装置は、上記起動可能温度帯の外の初期温度から起動される場合がある。この場合、熱磁気サイクル装置は、所定の機能を発揮するまでに長い時間を要することがある。また、この場合、熱磁気サイクル装置は、所定の機能を発揮できない場合がある。

上述の観点において、または言及されていない他の観点において、熱磁気サイクル装置を利用する熱機器にはさらなる改良が求められている。

発明の目的のひとつは、初期温度からの起動を促進することができる熱磁気サイクル装置を備える熱機器を提供することである。

発明の目的の他のひとつは、広い温度範囲から起動することができる熱磁気サイクル装置を備える熱機器を提供することである。

発明の目的のさらに他のひとつは、短時間で初期温度から定常運転温度へ到達することができる熱磁気サイクル装置を備える熱機器を提供することである。

発明の目的のさらに他のひとつは、少ないエネルギ消費で起動前の準備運転を実行可能な熱磁気サイクル装置を備える熱機器を提供することである。

ここに開示される発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

開示される発明のひとつにより、熱磁気サイクル装置を備える熱機器が提供される。発明は、低温端と高温端との間に配置された磁気熱量素子（１２）の磁気熱量効果を利用する熱磁気サイクル装置（１１）と、低温端または高温端と熱交換する熱輸送のための外部系統（２、３）と、熱磁気サイクル装置を起動する前に、外部系統を作動させる起動前処理部（１８５、２８５、３８５）を有する制御装置（４１、２４１、３４１）とを備えることを特徴とする。

この発明によると、熱磁気サイクル装置が起動される前に、外部系統が作動する。これにより熱磁気サイクル装置の低温端または高温端は、外部系統と熱交換する。この結果、低温端または高温端を通じて、熱磁気サイクル装置の温度が外部系統によって調節される。熱磁気サイクル装置の初期温度が過度に高い温度または過度に低い温度にあっても、外部系統による温度調節によって熱磁気サイクル装置の温度は起動に適した温度に接近する。この結果、熱磁気サイクル装置の起動が促進される。

発明の第１実施形態に係る熱磁気サイクル装置のブロック図である。 第１実施形態の起動前処理を示すフローチャートである。 第１実施形態の起動前処理を示すグラフである。 発明の第２実施形態に係る熱磁気サイクル装置のブロック図である。 第２実施形態の起動前処理を示すフローチャートである。 発明の第３実施形態に係る熱磁気サイクル装置のブロック図である。 第３実施形態に係る熱磁気サイクル装置のブロック図である。 第３実施形態の起動前処理を示すフローチャートである。 第３実施形態の起動前処理を示すグラフである。

図面を参照しながら、ここに開示される発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において、先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。また、後続の実施形態においては、先行する実施形態で説明した事項に対応する部分に百以上の位だけが異なる参照符号を付することにより対応関係を示し、重複する説明を省略する場合がある。各形態において、構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については他の形態の説明を参照し適用することができる。

第１実施形態
図１において、熱機器としての空調装置１は、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置１１を備える。磁気熱量効果型ヒートポンプ装置１１はＭＨＰ（Magneto-caloric effectHeat Pump）装置１１とも呼ばれる。ＭＨＰ装置１１は、熱磁気サイクル装置を提供する。

この明細書においてヒートポンプ装置の語は広義の意味で使用される。すなわち、ヒートポンプ装置の語には、ヒートポンプ装置によって得られる冷熱を利用する装置と、ヒートポンプ装置によって得られる温熱を利用する装置との両方が含まれる。冷熱を利用する装置は、冷凍サイクル装置とも呼ばれることがある。よって、この明細書においてヒートポンプ装置の語は冷凍サイクル装置を包含する概念として使用される。ヒートポンプ装置の語は、それによって得られる冷熱と温熱との両方を利用する装置を含む。例えば、除湿装置を含む。

図１に図示される熱機器は、低温系統２を有する。低温系統２は、ＭＨＰ装置１１により得られる冷熱を運搬する。熱機器は、高温系統３を有する。高温系統３は、ＭＨＰ装置１１により得られる温熱を運搬する。ＭＨＰ装置１１、低温系統２、および高温系統３は、空調装置１を提供する。空調装置１は、車両に搭載され、車室内を空調する車両用空調装置である。

ＭＨＰ装置１１は、磁気熱量素子１２を備える。磁気熱量素子１２は、ＭＣＥ（Magneto-Caloric Effect）素子１２とも呼ばれる。ＭＨＰ装置１１は、ＭＣＥ素子１２の磁気熱量効果を利用する。ＭＨＰ装置１１は、ＭＣＥ素子１２によって低温端１２ａと高温端１２ｂとを生成する。ＭＣＥ素子１２は、低温端１２ａと高温端１２ｂとの間に設けられている。図示の例では、図中の上側が低温端１２ａであり、図中の下側が高温端１２ｂである。

ＭＣＥ素子１２は、作業室内に、熱輸送媒体と熱交換するように配置されている。ＭＣＥ素子１２は、外部磁場の強弱の変化に応答して発熱と吸熱とを生じる。ＭＣＥ素子１２は、外部磁場の印加により発熱し、外部磁場の除去により吸熱する。ＭＣＥ素子１２は、外部磁場が印加されることによって電子スピンが磁場方向に揃うと、磁気エントロピーが減少し、熱を放出することによって温度が上昇する。また、ＭＣＥ素子１２は、外部磁場が除去されることによって電子スピンが乱雑になると、磁気エントロピーが増加し、熱を吸収することによって温度が低下する。ＭＣＥ素子１２は、熱機器として必要な性能を発揮するように、所定の高効率温度帯において高い磁気熱量効果を発揮する。ＭＣＥ素子１２は、低温端１２ａから高温端１２ｂに向けて連続的にまたは段階的に高効率温度帯が徐々に高くなる勾配を有する。

ＭＣＥ素子１２の材料は、必要な性能を発揮するように選定されている。ＭＣＥ素子１２は、常温域において高い磁気熱量効果を発揮する磁性体によって作られている。例えば、ガドリニウム系材料、またはランタン−鉄−シリコン化合物を用いることができる。また、マンガン、鉄、リンおよびゲルマニウムの混合物を用いることができる。ＭＣＥ素子１２には、外部磁場の印加により吸熱し、外部磁場の除去により発熱する素子を利用してもよい。

ＭＨＰ装置１１は、磁場変調装置（ＭＧ）１３を備える。磁場変調装置１３は、ＭＣＥ素子１２に印加される磁場の強さを周期的に増減させる。磁場変調装置１３は、ＭＣＥ素子１２に外部磁場を与えるとともに、その外部磁場の強さを増減させる。磁場変調装置１３は、ＭＣＥ素子１２を強い磁界内に置く励磁状態と、ＭＣＥ素子１２を弱い磁界内またはゼロ磁界内に置く消磁状態とを周期的に切換える。磁場変調装置１３は、ＭＣＥ素子１２が強い外部磁場の中に置かれる励磁期間、およびＭＣＥ素子１２が励磁期間より弱い外部磁場の中に置かれる消磁期間を周期的に繰り返すように外部磁場を変調する。磁場変調装置１３は、後述する熱輸送媒体の往復的な流れに同期して、ＭＣＥ素子１２への磁場の印加と除去とを繰り返す。磁場変調装置１３は、外部磁場を生成するための磁力源１３、例えば永久磁石、または電磁石を備える。

ＭＨＰ装置１１は、熱輸送装置（ＰＭ）１４を備える。熱輸送装置１４は、ＭＣＥ素子１２が放熱または吸熱する熱を輸送するための熱輸送媒体と、この熱輸送媒体を流すための流体機器とを備える。熱輸送装置１４は、ＭＣＥ素子１２と熱交換する熱輸送媒体をＭＣＥ素子１２に沿って流す装置である。熱輸送装置１４は、ＭＣＥ素子１２に沿って熱輸送媒体を往復的に流す。熱輸送装置１４は、磁場変調装置１３による外部磁場の変化に同期して、熱輸送媒体の往復的な流れを発生させる。熱輸送装置１４は、磁場変調装置１３による磁場の増減に同期して熱輸送媒体の流れ方向を切換える。ＭＣＥ素子１２と熱交換する熱輸送媒体は一次媒体と呼ばれる。一次媒体は、不凍液、水、油などの流体によって提供することができる。熱輸送装置１４は、熱輸送媒体を流すためのポンプを備える。

磁場変調装置１３と熱輸送装置１４とは、ＭＣＥ素子１２をＡＭＲ(Active Magnetic Refrigeration)サイクルの素子として機能させる。熱輸送装置１４によってＭＣＥ素子１２に沿って第１方向に熱輸送媒体が流されるときに、磁場変調装置１３はＭＣＥ素子１２に強い磁場を印加する。第１方向は、低温端１２ａから高温端１２ｂに向かう方向である。熱輸送装置１４によってＭＣＥ素子１２に沿って第１方向とは反対の第２方向に熱輸送媒体が流されるとき、磁場変調装置１３は、ＭＣＥ素子１２に弱い磁場またはゼロ磁場を印加する。第２方向は、高温端１２ｂから低温端１２ａに向かう方向である。

磁場変調装置１３および熱輸送装置１４に関しては、多様な構成を採用することができ、それらの装置に関してはこの明細書に列挙された先行技術文献の記載を参照することができる。先行技術文献の記載内容は、この明細書に記載された技術的要素の説明として、参照によって導入ないし援用される。

低温系統２は、ＭＨＰ装置１１によって提供される低温を運搬し、利用または廃棄するための熱輸送装置である。低温系統２は、熱輸送媒体が循環的に流れる流路２１を備える。低温系統２の熱輸送媒体は低温二次媒体と呼ばれる。低温系統２は、流路２１に低温二次媒体を流すためのポンプ（ＰＬ）２２を備える。低温系統２は、ＭＨＰ装置１１の低温端１２ａと熱交換可能に配置された媒体熱交換器２３を備える。媒体熱交換器２３は、ＭＨＰ装置１１の低温端１２ａと、低温二次媒体との間の熱交換を提供する。低温系統２は、空気と熱交換可能に配置された空気熱交換器２４を備える。空気熱交換器２４は、熱源または熱負荷としての空気と、低温二次媒体との間の熱交換を提供する。低温系統２は、空気熱交換器２４に空気を通過させる送風機（ＦＬ）２５を備える。

ポンプ２２が作動することにより低温二次媒体とＭＨＰ装置１１の低温端１２ａとの間の熱交換が提供される。さらに、送風機２５が作動することにより、ＭＨＰ装置１１の低温端１２ａと、空気との間の、低温二次媒体を経由する熱交換が提供される。

高温系統３は、ＭＨＰ装置１１によって提供される高温を運搬し、利用または廃棄するための熱輸送装置である。高温系統３は、熱輸送媒体が循環的に流れる流路３１を備える。高温系統３の熱輸送媒体は高温二次媒体と呼ばれる。高温系統３は、流路３１に高温二次媒体を流すためのポンプ（ＰＬ）３２を備える。高温系統３は、ＭＨＰ装置１１の高温端１２ｂと熱交換可能に配置された媒体熱交換器３３を備える。媒体熱交換器３３は、ＭＨＰ装置１１の高温端１２ｂと、高温二次媒体との間の熱交換を提供する。高温系統３は、空気と熱交換可能に配置された空気熱交換器３４を備える。空気熱交換器３４は、熱源または熱負荷としての空気と、高温二次媒体との間の熱交換を提供する。高温系統３は、空気熱交換器３４に空気を通過させる送風機（ＦＬ）３５を備える。

ポンプ３２が作動することにより高温二次媒体とＭＨＰ装置１１の高温端１２ｂとの間の熱交換が提供される。さらに、送風機３５が作動することにより、ＭＨＰ装置１１の高温端１２ｂと、空気との間の、高温二次媒体を経由する熱交換が提供される。

空調装置１は、ＭＨＰ装置１１、低温系統２、および高温系統３を制御するための制御装置４１を備える。空調装置１は、ＭＨＰ装置１１の温度Ｔｍを検出するための温度検出手段としての温度センサ（ＳＭ）４２を備える。温度センサ４２は、ＭＨＰ装置４１の温度Ｔｍとして、ＭＣＥ素子１２の温度を検出する。制御装置４１は、温度センサ４２が出力するセンサ信号を入力する。制御装置４１および温度センサ４２は、ＭＨＰ装置１１の温度Ｔｍを取得する温度取得手段を提供する。

制御装置４１は、磁場変調装置１３および熱輸送装置１４を作動状態と停止状態とに切り換えることができる。制御装置４１は、ポンプ２２、３２および送風機２５、３５を作動状態と停止状態とに切り換えることができる。

制御装置４１は、電子制御装置（Electronic Control Unit）である。制御装置は、少なくともひとつの演算処理装置（ＣＰＵ）と、プログラムとデータとを記憶する記憶媒体としての少なくともひとつのメモリ装置（ＭＭＲ）とを有する。制御装置は、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体を備えるマイクロコンピュータによって提供される。記憶媒体は、コンピュータによって読み取り可能なプログラムを非一時的に格納している。記憶媒体は、半導体メモリまたは磁気ディスクなどによって提供されうる。制御装置は、ひとつのコンピュータ、またはデータ通信装置によってリンクされた一組のコンピュータ資源によって提供されうる。プログラムは、制御装置によって実行されることによって、制御装置をこの明細書に記載される装置として機能させ、この明細書に記載される方法を実行するように制御装置を機能させる。制御装置は、多様な要素を提供する。それらの要素の少なくとも一部は、機能を実行するための手段と呼ぶことができ、別の観点では、それらの要素の少なくとも一部は、構成として解釈されるブロック、または構成として解釈されるモジュールと呼ぶことができる。

制御装置が提供する手段および／または機能は、実体的なメモリ装置に記録されたソフトウェアおよびそれを実行するコンピュータ、ソフトウェアのみ、ハードウェアのみ、あるいはそれらの組合せによって提供することができる。例えば、制御装置がハードウェアである回路によって提供される場合、それは多数の論理回路を含むデジタル回路、またはアナログ回路によって提供することができる。

図２は、ＭＨＰ装置１１の起動のための処理１８０の一例を示すフローチャートである。以下の説明において、磁場変調装置１３および熱輸送装置１４が連続的に作動状態におかれている状態をＭＨＰ装置１１の作動状態と呼ぶ。磁場変調装置１３および熱輸送装置１４が連続的に停止状態におかれている状態をＭＨＰ装置１１の停止状態と呼ぶ。ＭＨＰ装置１１を停止状態から作動状態に移行させる操作を起動と呼ぶ。ＭＨＰ装置１１が起動される前、すなわち停止状態におけるＭＨＰ装置１１の温度、すなわちＭＣＥ素子１２の温度は初期温度と呼ばれる。

処理１８０は、制御装置４１によって実行される。ステップ１８１では、制御装置４１は、ＭＨＰ装置１１の起動準備が求められているか否かを判定する。例えば、利用者によって空調装置１が停止状態から作動状態に切り換えられる場合、ＭＨＰ装置１１の起動準備が求められていると判定される。また、空調装置１は連続的な作動状態におかれているが、ＭＨＰ装置１１が一時的な停止状態におかれている場合、ＭＨＰ装置１１の起動準備が求められていると判定される。例えば、ＭＨＰ装置１１の消費電力を一時的に抑制する要求がある場合である。ＭＨＰ装置１１の起動準備が求められていない場合、処理はＮＯに分岐する。ＭＨＰ装置の起動準備が求められている場合、処理はＹＥＳに分岐する。

ステップ１８２では、制御装置４１は温度センサ４２から温度Ｔｍを入力する。ステップ１８２は、ＭＨＰ装置１１の温度を取得する温度取得部を提供する。

ステップ１８３では、制御装置４１は、ＭＨＰ装置１１の温度が起動可能温度帯の中にあるか否かを判定する。起動可能温度帯の一例は、下限温度Ｔ１と上限温度Ｔ２との間の温度帯である。Ｔ１＜Ｔｍ＜Ｔ２が成立する場合、処理はＹＥＳに分岐する。Ｔ１＜Ｔｍ＜Ｔ２が非成立である場合、処理はＮＯに分岐する。起動可能温度帯は、起動前処理を要することなくＭＨＰ装置１１が許容される遅れ時間の後に定常的な運転状態に到達できる温度帯として設定できる。例えば、起動可能温度帯は、実験に基づいて設定することができる。上限温度Ｔ２はＭＨＰ装置１１の動作可能温度とも呼ぶことができる。

ステップ１８４では、制御装置４１は、ＭＨＰ装置１１を起動する。制御装置４１は、磁場変調装置１３を作動状態（ＯＮ）に制御する。制御装置４１は、熱輸送装置１４を作動状態（ＯＮ）に制御する。さらに、制御装置４１は、低温系統２と高温系統３とを作動状態に制御する。これにより空調装置１はヒートポンプとして機能する。

初期温度が高効率温度帯を含む起動可能温度帯の中にある場合、ＭＨＰ装置１１は、所定の遅れ時間の後に、定常的な運転状態に到達することができる。定常的な運転状態では、ＭＨＰ装置１１は、低温端１２ａと高温端１２ｂとに所定の温度を提供する。

ＭＨＰ装置１１は、作動状態において、低温系統２に低温を提供し、高温系統３に高温を提供する。空調装置１が冷房用途に利用されるとき、空気熱交換器２４は利用側熱交換器、すなわち室内熱交換器として利用される。空気熱交換器２４は、室内の空気から熱を吸収する。空気熱交換器２４により室内の空気が冷却される。このとき、空気熱交換器３４は、非利用側熱交換器、すなわち室外熱交換器として利用される。空気熱交換器３４は、室外の空気へ熱を排出する。空調装置１が暖房用途に利用されるとき、空気熱交換器２４は非利用側熱交換器、すなわち室外熱交換器として利用される。空気熱交換器２４は、室外の空気から熱を吸収する。このとき、空気熱交換器３４は、利用側熱交換器、すなわち室内熱交換器として利用される。空気熱交換器３４は、室内の空気へ熱を排出する。空気熱交換器３４により室内の空気が加熱される。空調装置１が除湿用途に利用されるとき、空気熱交換器２４と空気熱交換器３４との両方が室内熱交換器として利用される。

ステップ１８３からＮＯに分岐した場合、処理はステップ１８５へ進む。初期温度が起動可能温度帯の外にある場合、ＭＨＰ装置１１は、定常的な運転状態に到達するまでにより長い遅れ時間を要する。初期温度が起動可能温度帯の外にある場合、ＭＨＰ装置１１は、定常的な運転状態に到達することができないこともある。この実施形態では、ＭＨＰ装置１１が起動される前に、起動前処理が実行される。起動前処理は、熱源または熱負荷としての低温系統２または高温系統３だけを利用して、ＭＨＰ装置１１の温度を起動可能温度帯の近くに向けて接近させる。さらに、望ましい作動においては、起動前処理は、熱源または熱負荷としての低温系統２または高温系統３だけを利用して、ＭＨＰ装置１１の温度を起動可能温度帯の中に入れる。ステップ１８３は、ＭＨＰ装置１１の温度Ｔｍが、予め定められた起動可能温度帯Ｔ１−Ｔ２の外にあるときに起動前処理部を作動させる温度判定部を提供する。

ステップ１８５では、制御装置４１は、起動前処理を提供する。起動前処理では、低温系統２または高温系統３の少なくとも一方が運転状態におかれる。これにより、ＭＨＰ装置１１が高温になっていても、低温系統２または高温系統３が内部に有する低温によりＭＨＰ装置１１の温度が下げられる。加えて、低温系統２または高温系統３は、車両の室内空気または室外空気と熱交換するから、低温系統２または高温系統３を経由して導入される空気の低温によってＭＨＰ装置１１の温度が下げられる。

ステップ１９１では、制御装置４１は、温度Ｔｍが閾値温度Ｔ３を上回るか否かを判定する。閾値温度Ｔ３は、基準温度とも呼ぶことができる。閾値温度Ｔ３は、ＭＨＰ装置１１を冷却するための冷却能力を段階的に切り換えるための閾値である。Ｔ３＜Ｔｍが成立する場合、処理はＹＥＳに分岐する。Ｔ３＜Ｔｍが成立しない場合、処理はＮＯに分岐する。

ステップ１９２では、制御装置４１は、低温系統２または高温系統３の一方だけを運転状態に制御する。例えば、ポンプ２２と送風機２５とが運転状態（ＯＮ）に制御される。これに代えて、ポンプ３２と送風機３５とが運転状態（ＯＮ）に制御されてもよい。ＭＣＥ素子１２は、低温端１２ａの近傍により低い高効率温度帯を有するから、低温端１２ａの温度を低下させることが望ましい。そこで、ステップ１９２では、低温系統２を運転することが望ましい。ステップ１９２は、低温系統２または高温系統３の一方だけを作動させる単系統作動部を提供する。

ステップ１９３では、制御装置４１は、低温系統２および高温系統３の両方を運転状態に制御する。ここでは、ポンプ２２、送風機２５、ポンプ３２、および送風機３５が運転状態（ＯＮ）に制御される。ステップ１９３は、低温系統２および高温系統の両方を作動させる両系統作動部を提供する。

ステップ１８５の後、処理はステップ１８４に進む。よって、ステップ１８４によってＭＨＰ装置１１が起動される前に、ステップ１８５による起動前処理がＭＨＰ装置１１の温度Ｔｍを起動可能温度帯に近づける。

図３には、起動前処理において提供される冷却能力の一例が図示されている。横軸は温度Ｔｍを示し、縦軸は起動可能温度帯に向けて温度Ｔｍを変化させる冷却能力と加熱能力とを示す。ＭＨＰ装置１１の温度Ｔｍが上限温度Ｔ２を上回り、閾値温度Ｔ３を上回らない場合、低温系統２または高温系統３の一方だけを利用してＭＨＰ装置１１が冷却される。ＭＨＰ装置１１の温度Ｔｍが閾値温度Ｔ３を上回る場合、低温系統２および高温系統３の両方を利用してＭＨＰ装置１１が冷却される。ＭＨＰ装置１１の温度が起動可能温度帯から離れるほど、ＭＨＰ装置１１の温度を起動可能温度帯に近づけるための能力が高められる。具体的には、ＭＨＰ装置１１の温度が高くなるほど、ＭＨＰ装置１１を冷却する冷却能力が高められる。

以上に述べた実施形態のＭＨＰ装置１１は、自身の余熱、他の機器の余熱、または太陽熱などによって過剰な高温状態になる場合がある。このような場合に、温度Ｔｍは起動可能温度帯の外になる。低温系統２または高温系統３は、ＭＨＰ装置１１の外に位置づけられた熱輸送のための外部系統である。低温系統２または高温系統３は、自己の内部に残留する低温によって、または熱交換対象である空気によって、ＭＨＰ装置１１を冷却できる場合がある。多くの場合に、空気の温度は、ＭＨＰ装置１１の温度より低い。よって、ＭＨＰ装置１１を起動する前に低温系統２または高温系統３の少なくとも一方を作動状態に制御することにより、ＭＨＰ装置１１を冷却することができる。

ステップ１９２、１９３では、制御装置４１は、少なくとも低温系統２を作動させる。このため、低温端１２ａの近傍に位置づけられた磁気熱量素子１２温度が下がる。低温端１２ａの近傍に配置された磁気熱量素子１２は低温において高い磁気熱量効果を発揮するから、その磁気熱量素子１２が発揮する磁気熱量効果を高めることができる。この結果、ＭＨＰ装置１１の起動が促進される。

この実施形態によると、ＭＨＰ装置１１が起動される前に、ＭＨＰ装置１１の温度を起動に適した温度に調節することができる。これにより、ＭＨＰ装置１１の温度が起動前に起動可能温度帯の外にあっても、ＭＨＰ装置１１を起動することができる。また、温度Ｔｍが起動可能温度帯Ｔ１−Ｔ２の外にある場合に起動前処理が実行されるから、外部系統の無用な作動が抑制される。

この実施形態によると、初期温度が起動可能温度帯から遠く離れた温度であっても、起動前処理によって温度Ｔｍは起動可能温度帯に向けて接近する。よって、ＭＨＰ装置１１を広い温度範囲から起動することができる。

起動前処理は、温度Ｔｍを起動可能温度帯に向けて接近させる。この結果、ＭＨＰ装置１１が初期温度から定常運転状態へ到達するまでの遅れ時間が短縮される。しかも、起動前処理は、ＭＨＰ装置１１が起動される前に温度Ｔｍを起動可能温度帯の中に位置付けることがある。この場合、ＭＨＰ装置１１は短時間で初期温度から定常運転温度へ到達することができる。また、ＭＨＰ装置１１に期待される立ち上げ時間を提供可能となる。

起動前処理は、ＭＨＰ装置１１の要素である磁場変調装置１３および熱輸送装置１４を作動させることなく、低温系統２または高温系統３によって提供される外部系統だけを作動させて実行される。よって、ＭＨＰ装置１１は、少ないエネルギ消費で起動前の準備運転を実行可能である。

第２実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、ステップ１９２において低温系統２が運転される。これに代えて、この実施形態では、ＭＨＰ装置１１を冷却するために適した系統が運転される。

図４において、ＭＨＰ装置１１は、低温端１２ａから延び出す熱輸送のための循環系統１６を有する。循環系統１６は、熱輸送媒体を循環的に流す。循環系統１６の熱輸送媒体は、一次媒体または二次媒体によって提供することができる。循環系統１６における流れは、熱輸送装置１４によって、または磁場変調装置１３から独立して作動可能なポンプによって生成される。ＭＨＰ装置１１は、高温端１２ｂから延び出す熱輸送のための循環系統１７を有する。循環系統１７は、熱輸送媒体を循環的に流す。循環系統１７の熱輸送媒体は、一次媒体または二次媒体によって提供することができる。循環系統１７における流れは、熱輸送装置１４によって、または磁場変調装置１３から独立して作動可能なポンプによって生成される。

低温系統２は、循環系統１６と低温系統２との間の熱交換を提供する媒体熱交換器２２３を備える。高温系統３は、循環系統１７と高温系統３との間の熱交換を提供する媒体熱交換器２３３を備える。

この実施形態では、循環系統１６、１７は、磁場変調装置１３を作動させることなく、循環系統１６、１７内に熱輸送媒体を流すことができる。例えば、熱輸送装置１４は、磁場変調装置１３を停止状態においたままで、熱輸送装置１４単独で作動可能であり、循環系統１６、１７に熱輸送媒体の流れを提供することができる。

空調装置１は、低温系統２の温度ＴＬを検出する温度センサ（ＳＬ）４４を備える。低温系統２の温度ＴＬは、低温系統２内の二次媒体の温度、または空気熱交換器２４を通過する空気の温度である。空調装置１は、高温系統３の温度ＴＨを検出する温度センサ（ＳＨ）４５を備える。高温系統３の温度ＴＨは、高温系統３内の二次媒体の温度、または空気熱交換器３４を通過する空気の温度である。制御装置２４１は、温度センサ４４、４５から温度ＴＬ、ＴＨを示す信号を入力する。

図５は、ＭＨＰ装置１１の起動のための処理２８０の一例を示す。先行する実施形態と同じステップには同じ参照符号が付されている。

ステップ２８２において、制御装置２４１は、温度Ｔｍ、ＴＬ、ＴＨを入力する。この実施形態では、起動前処理２８５が実行される。ステップ２９２では、低温系統２と高温系統３とのうち、ＭＨＰ装置１１を冷却する効果が高いほうが利用される。例えば、ＴＬ＜ＴＨの場合、制御装置２４１は、低温系統２だけを作動させる。ＴＬ＞ＴＨの場合、制御装置２４１は、高温系統３だけを作動させる。これにより消費電力を抑制しながら、効率的にＭＨＰ装置１１を冷却することができる。よって、ステップ２８２は、低温系統２と高温系統３とのうち、より温度が低いほうを作動させる選択的作動部を提供する。

さらに、この実施形態では、ステップ２９４が採用される。ステップ２９４では、制御装置２４１は、熱輸送装置１４を作動状態（ＯＮ）に制御する。このとき、磁場変調装置１３は停止状態（ＯＦＦ）に制御される。これにより、循環系統１６、１７に熱輸送媒体が流れる。この結果、循環系統１６、１７を経由してＭＨＰ装置１１が冷却される。

この実施形態によると、制御装置２４１は、熱磁気サイクル装置を起動する前に、磁場変調装置１３を作動させることなく外部系統２、３を作動させ、かつ熱輸送装置１４を作動させる。熱輸送装置１４を作動させることにより、ＭＨＰ装置１１の内部において温度調節が促進される。また、磁場変調装置１３を作動させることなく、ＭＨＰ装置１１を冷却することができる。よって、消費電力を抑制しながらＭＨＰ装置１１を効率的に冷却することができる。

第３実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、低温系統２または高温系統３がＭＨＰ装置１１の冷却に利用される。これに加えて、この実施形態では、低温系統２または高温系統３がＭＨＰ装置１１の加熱にも利用される。さらに、空調装置１とは別の熱源冷却機器５がＭＨＰ装置１１の温度調節に利用される。

図６および図７において、車両には熱源冷却機器（ＨＴＳＣ）５が搭載されている。熱源冷却機器５は、車両に搭載された発熱機器を冷却する装置である。発熱機器は、例えば、車両の走行用の電動機、電子回路、電力変換装置、内燃機関、二次電池、燃料電池などによって提供される。熱源冷却機器５は、低温系統２および高温系統３とは独立して熱源の温度を調節可能に構成されている。

この実施形態では、熱源冷却機器５と、低温系統２との間に、それらを熱的に連結する連結系統６が設けられている。連結系統６は、熱源冷却機器５の冷却能力を低温系統２を経由してＭＨＰ装置１１へ導入することを可能とする。また、連結系統６は、熱源冷却機器５の加熱能力を低温系統２を経由してＭＨＰ装置１１へ導入することも可能とする。

連結系統６は、熱源冷却機器５と低温系統２との間における熱輸送媒体の循環的な流れを可能とする経路６１を有する。経路６１には、熱源冷却機器５と低温系統２とが分離されているときに熱輸送媒体を還流させるためのバイパス経路６２が設けられている。連結系統６は、経路６１に熱輸送媒体を流すためのポンプ（ＰＥ）６３を有する。ポンプ６３は、熱源冷却機器５内の熱輸送媒体を低温系統２に供給するように熱輸送媒体を流す。連結系統６は、複数のバルブ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）６４、６５、６６を備える。複数のバルブ６４、６５、６６のそれぞれは二位置三方弁によって提供することができる。複数のバルブ６４、６５、６６は、経路６１を切り換える切換機構を提供する。

複数のバルブ６４、６５、６６は、図６に図示されるＯＦＦ位置において、熱源冷却機器５と低温系統２とを熱的に分離する。このとき、熱輸送媒体は、熱源冷却機器５に還流する。複数のバルブ６４、６５、６６は、図７に図示されるＯＮ位置において、熱源冷却機器５と低温系統２とを熱的に連結する。このとき、熱源冷却機器５の熱輸送媒体が低温系統２に供給される。制御装置３４１は、熱源冷却機器５から低温系統２への熱輸送媒体の供給を遮断する状態と、許容する状態とを提供するようにポンプ６３、および複数のバルブ６４、６５、６６を制御する。

図８は、ＭＨＰ装置１１の起動のための処理３８０の一例を示す。この実施形態では、起動前処理のためのステップ３８５が実行される。ステップ３８５では、制御装置３４１は、ＭＨＰ装置１１を冷却するだけではなく、加熱する場合がある。ステップ３８５では、ＭＨＰ装置１１の冷却または加熱のために、低温系統２または高温系統３の少なくとも一方が運転状態におかれる。さらに、冷却能力または加熱能力を増加させるために、熱源冷却機器５と熱媒体系統である低温系統２との間が熱的な連結状態におかれる。

ステップ３９５では、制御装置４１は、温度Ｔｍが下限温度Ｔ１を下回るか否かを判定する。Ｔｍ＜Ｔ１が成立する場合、処理はＹＥＳに分岐する。Ｔｍ＜Ｔ１が成立しない場合、処理はＮＯに分岐する。

さらに、この実施形態では、ステップ３９６とステップ３９７とが採用される。ステップ３９６では、制御装置３４１は、ＭＨＰ装置１１を冷却または加熱するために熱源冷却機器５を利用可能であるか否かを判定する。例えば、熱源冷却機器５の温度が、温度Ｔｍより十分に低い運転状態では、熱源冷却機器５はＭＨＰ装置１１の冷却に利用可能であると判定できる。また、熱源冷却機器５の温度が、温度Ｔｍより十分に高い運転状態では、熱源冷却機器５はＭＨＰ装置１１の加熱に利用可能であると判定できる。利用可能である場合、処理はＹＥＳに分岐する。利用不可能である場合、処理はＮＯに分岐する。

ステップ３９７では、制御装置３４１は、熱源冷却機器５から低温系統２への熱輸送を実行する。ステップ３９７では、ポンプ６３が作動状態に制御され、複数のバルブ６４、６５、６６がＯＮ状態に制御される。これにより図７に図示される経路６１の状態が提供される。ステップ３９７は、ＭＨＰ装置１１の温度を調節するために熱源冷却機器５を利用可能であるときに連結系統６によって低温系統２と熱源冷却機器５とを熱的に連結する連結制御部を提供する。

図９には、起動前処理において提供される冷却能力と加熱能力の一例が図示されている。温度Ｔｍが上限温度Ｔ２を上回り、閾値温度Ｔ３を上回らない場合、低温系統２または高温系統３の一方だけを利用してＭＨＰ装置１１が冷却される。このとき、起動前処理はステップ３９５、１９１、２９２、２９４を経由する。

温度Ｔｍが閾値温度Ｔ３を上回る場合、低温系統２および高温系統３の両方を利用してＭＨＰ装置１１が冷却される。このとき、起動前処理はステップ３９５、１９１、１９３、３９６、２９４を経由する。温度Ｔｍが閾値温度Ｔ３を上回り、かつ、熱源冷却機器５が利用可能である場合、冷却能力は破線に図示されるように増加する。このとき、起動前処理はステップ３９５、１９１、１９３、３９６、３９７、２９４を経由する。

温度Ｔｍが下限温度Ｔ１を下回る場合、低温系統２および高温系統３の両方を利用してＭＨＰ装置１１が加熱される。このとき、起動前処理はステップ３９５、１９３、３９６、２９４を経由する。温度Ｔｍが下限温度Ｔ１を下回り、かつ、熱源冷却機器５が利用可能である場合、加熱能力は破線に図示されるように増加する。このとき、起動前処理はステップ３９５、１９３、３９６、３９７、２９４を経由する。

この実施形態によると、上記実施形態に加えて、熱源冷却機器５も利用して、起動前における熱磁気サイクル装置の温度調節が提供される。具体的には、熱源冷却機器５を利用してＭＨＰ装置１１を冷却することができる。また、この実施形態によると、外部系統２、３を利用してＭＨＰ装置１１を加熱することができる。さらに、熱源冷却機器５を利用して、ＭＨＰ装置１１を加熱することができる。

他の実施形態
ここに開示される発明は、その発明を実施するための実施形態に何ら制限されることなく、種々変形して実施することが可能である。開示される発明は、実施形態において示された組み合わせに限定されることなく、種々の組み合わせによって実施可能である。実施形態は追加的な部分をもつことができる。実施形態の部分は、省略される場合がある。実施形態の部分は、他の実施形態の部分と置き換え、または組み合わせることも可能である。実施形態の構造、作用、効果は、あくまで例示である。開示される発明の技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示される発明のいくつかの技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。

例えば、上記実施形態では、低温系統２と高温系統３との両方を採用した。これに代えて、ＭＨＰ装置１の低温端１２ａまたは高温端１２ｂと、熱源または熱負荷とを直接的に熱交換させるように構成されてもよい。この場合、熱機器は、低温系統２または高温系統３を備える。この構成においても、低温系統２または高温系統３の一方だけを利用して、ＭＨＰ装置１の起動前処理を実行可能である。

上記実施形態では、ＭＨＰ装置１によって車両用の空調装置４を提供した。これに代えて、住宅用の空調装置、食品などを貯蔵する冷蔵装置などを提供してもよい。

上記実施形態では、低温系統２と高温系統３とを固定した。これに代えて、低温端１２ａと高温端１２ｂとを入れ替えるようにＭＨＰ装置１１を運転してもよい。例えば、冷房用途においては系統２が低温系統となるようにＭＨＰ装置１１を運転し、暖房用途においては系統２が高温系統となるようにＭＨＰ装置１１を運転することができる。このような反転可能な運転は、磁場変調装置１３と熱輸送装置１４との位相を反転させることによって実現可能である。

上記実施形態では、ＭＨＰ装置１１の温度を取得する温度取得部は、温度センサ４２によって提供される。これに代えて、ＭＨＰ装置１１の温度に関連する温度をＭＨＰ装置１１の温度として代用してもよい。例えば、外気の温度は、ＭＨＰ装置１１の温度として利用することができる。また、ＭＨＰ装置１１の温度を推定する推定処理部によって温度取得部を提供してもよい。例えば、ＭＨＰ装置１１の停止時間、外気の温度、ＭＨＰ装置１１に隣接する機器の温度などに基づいてＭＨＰ装置１１の温度を推定することができる。

上記実施形態では、低温系統２と高温系統３との両方に熱輸送媒体を利用する間接熱交換系統を採用した。これに代えて、低温系統２または高温系統３の少なくとも一方を、低温端１２ａまたは高温端１２ｂと空気とが直接的に熱交換する直接熱交換系統によって提供してもよい。この場合、起動前処理においては、低温端１２ａまたは高温端１２ｂと熱交換するように空気を流す送風機が運転される。

上記実施形態では、熱源冷却機器５から低温系統２へ熱輸送媒体が導入される。これに代えて、熱源冷却機器５から高温系統３、または低温系統２と高温系統３との両方に熱輸送媒体が導入されてもよい。さらに、上記実施形態では、熱源冷却機器５から外部系統２、３へ熱輸送媒体が直接的に導入される。これに代えて、熱源冷却機器５と外部系統２、３との間に熱交換器を設けることによって、それら両者を熱的に連結してもよい。

上記実施形態では、ＭＨＰ装置１１の温度Ｔｍが起動可能温度帯の外にある場合に起動前処理を実行した。これに代えて、ＭＨＰ装置１１が起動準備状態にあるときに起動前処理を実行してもよい。例えば、ＭＨＰ装置１１が停止状態にある期間中、継続して起動前処理を実行してもよい。また、車両を利用するために車両のドアの開閉などの予備操作を検出すると起動前処理を開始し、その後に空調装置１が起動されるとＭＨＰ装置１１を起動してもよい。

１ 空調装置（熱機器）、 ２ 低温系統、 ３ 高温系統、
５ 熱源冷却機器、 ６ 連結系統、
１１ 磁気熱量効果型ヒートポンプ装置（熱磁気サイクル装置）、
１２ 磁気熱量効果素子、 １２ａ 低温端、 １２ｂ 高温端、
１３ 磁場変調装置、 １４ 熱輸送装置、
１６、１７ 循環系統、
４１、２４１、３４１ 制御装置、
４２、４３、４４ 温度センサ。

Claims (10)

1. 低温端と高温端との間に配置された磁気熱量素子（１２）の磁気熱量効果を利用する熱磁気サイクル装置（１１）と、
   前記低温端または前記高温端と熱交換する熱輸送のための外部系統（２、３）と、
   前記熱磁気サイクル装置を起動する前に、前記外部系統を作動させる起動前処理部（１８５、２８５、３８５）を有する制御装置（４１、２４１、３４１）とを備えることを特徴とする熱機器。
2. 前記外部系統は、前記低温端と熱交換する低温系統（２）と、前記高温端と熱交換する高温系統（３）とを備え、
   前記起動前処理部（１８５、２８５、３８５）は、前記熱磁気サイクル装置を起動する前に、少なくとも前記低温系統を作動させることを特徴とする請求項１に記載の熱機器。
3. 前記外部系統は、前記低温端と熱交換する低温系統（２）と、前記高温端と熱交換する高温系統（３）とを備え、
   前記起動前処理部（１８５、２８５、３８５）は、前記熱磁気サイクル装置を起動する前に、前記低温系統または前記高温系統を作動させる単系統作動部（１９２、２９２）を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱機器。
4. 前記単系統作動部（２９２）は、前記低温系統と前記高温系統とのうち、より温度が低いほうを作動させることを特徴とする請求項３に記載の熱機器。
5. 前記起動前処理部は、前記熱磁気サイクル装置を起動する前に、前記低温系統および前記高温系統の両方を作動させる両系統作動部（１９３、２９３）を有することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の熱機器。
6. 前記起動前処理部は、
   前記熱磁気サイクル装置の温度（Ｔｍ）が上限温度（Ｔ２）を上回り、前記上限温度より高い基準温度（Ｔ３）を下回るときに前記単系統作動部（１９２、２９２）を作動させ、
   前記熱磁気サイクル装置の温度（Ｔｍ）が前記基準温度（Ｔ３）を上回るときに前記両系統作動部（１９３、２９３）を作動させることを特徴とする請求項５に記載の熱機器。
7. 前記熱磁気サイクル装置は、
   前記磁気熱量素子に印加する磁場を変調する磁場変調装置（１３）と、
   前記磁気熱量素子が放熱または吸熱する熱を輸送する熱輸送装置（１４）とを備え、
   前記起動前処理部（１８５、２８５、３８５）は、前記熱磁気サイクル装置を起動する前に、前記磁場変調装置を作動させることなく前記外部系統を作動させることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の熱機器。
8. 前記起動前処理部（２８５、３８５）は、前記熱磁気サイクル装置を起動する前に、前記磁場変調装置を作動させることなく前記外部系統を作動させ、かつ前記熱輸送装置を作動させることを特徴とする請求項７に記載の熱機器。
9. さらに、熱源を冷却するための熱源冷却機器と前記外部系統とを熱的に連結する連結系統（６）を備え、
   前記起動前処理部（３８５）は、前記熱磁気サイクル装置の温度を調節するために前記熱源冷却機器を利用可能であるときに前記連結系統によって前記外部系統と前記熱源冷却機器とを熱的に連結する連結制御部（３９７）を有することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の熱機器。
10. 前記制御装置は、前記熱磁気サイクル装置の温度（Ｔｍ）が、予め定められた起動可能温度帯（Ｔ１−Ｔ２）の外にあるときに前記起動前処理部を作動させる温度判定部（１８３）を有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の熱機器。

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